Solución de Transformador Combinado (CIT): Perspectiva de Diseño e Integración de Ingeniería

1. Concepto de Solución Central: Plataforma Modular con Aislamiento Compartido

Diseño: Desarrollar una plataforma unificada y modular que albergue tanto las funciones de detección de corriente como de tensión dentro de una estructura única y optimizada.
Aislamiento: Utilizar un sobre aislante compartido. Se han diseñado dos opciones:

Gas SF6: Probada alta resistencia dieléctrica y excelentes propiedades de extinción de arco para clases de voltaje superiores (por ejemplo, 72.5 kV y por encima). El diseño incorpora monitoreo de densidad de gas y tecnología de sellado probada.
Vivienda Compuesta (Aislamiento Sólido): Solución sostenible ambientalmente que utiliza materiales poliméricos de alta calidad con láminas de silicona. Ideal para voltajes bajos a medios o donde se requiere evitar el SF6. Optimizado para distancia de reptación y rendimiento contra la contaminación.

Escalabilidad en diferentes clases de voltaje (por ejemplo, a través del ajuste de la longitud del aislador).
Adaptación a requisitos específicos de interfaz de empalmes.
Potencial para futuras actualizaciones de tecnología de sensores.

2. Implementación de Tecnología de Detección Integrada

Sensor: Bobinas Rogowski de alta precisión compensadas en temperatura. Seleccionadas por:

Amplio Rango Dinámico: Excelente linealidad desde fracciones pequeñas de la corriente nominal hasta corrientes de falla altas (por ejemplo, >40 kA).
Sin Saturación: Ventaja fundamental sobre los CT de núcleo de hierro, eliminando el riesgo de saturación durante las fallas.
Ligero: Reduce significativamente el estrés mecánico en la estructura general.

Integración: Las bobinas se colocan estratégicamente dentro del sobre aislante, concéntricas con el conductor primario. Montaje mecánico seguro resistente a la vibración.

Sensor: Divisores de tensión capacitivos (CVD) de alta estabilidad como estándar. Se consideran divisores de tensión resistivos (RVD) para aplicaciones específicas de CC o ancho de banda amplio que requieren respuesta transitoria rápida.
Integración: Electrodo de detección CVD (baja impedancia) integrado directamente en la estructura del aislante. Electrodo de gradiente de precisión garantiza una distribución de campo uniforme y estabilidad térmica/contaminación. Escudo crítico previene la interferencia de campos externos.

3. Modelado Avanzado de Campos Electromagnéticos e Isolación (Desafío de Ingeniería Crítico)

Modelado: Modelado 3D de Elementos Finitos (FEM) de alta fidelidad obligatorio de toda la plataforma:

Caracteriza con precisión los campos electromagnéticos internos bajo todas las condiciones operativas (sinusoidales, transitorias, ondas distorsionadas).
Evalúa los efectos de proximidad de los conductores, la carcasa y las fases adyacentes.

Separación Física: Arreglo geométrico óptimo de elementos de detección (bobinas, electrodos CVD) basado en los resultados del modelado. Maximiza la distancia dentro de las restricciones.
Escudo Activo: Implementación de escudos electrostáticos a tierra colocados estratégicamente entre los elementos de sensor basados en datos de simulación de campo.
Anillos de Guarda: Utiliza anillos de guarda conductivos alrededor de las salidas de las bobinas Rogowski para drenar corrientes de desplazamiento.

Rutas de Señal Dedicadas: Enrutamiento de señales desde sensores individuales utilizando cables de par trenzado blindado dentro de la carcasa inmediatamente después de la captura.
Diseño de Circuitos Compensados: Circuitos electrónicos de acondicionamiento diseñados con técnicas de cancelación de crosstalk informadas por modelos FEM.
Validación: Pruebas rigurosas en fábrica (incluyendo pruebas de inyección armónica) para caracterizar y verificar márgenes de aislamiento y niveles de crosstalk (< 0.1% especificados).

4. Procesamiento Digital Integrado e Interfaces Estandarizadas

Circuitos integrados de bajo consumo dedicados (ASICs) o microcontroladores de alta confiabilidad integrados directamente en la plataforma de sensores o en módulos sellados adyacentes.
Funciones incluyen: integrador de bobina Rogowski, escalado, conversión ADC, cálculo de armónicos (si aplica), linealización, compensación de temperatura y marca de tiempo.

Interfaces Incorporadas: Incorporar circuitos de salida digital conforme a IEC 61869 directamente dentro de la unidad CIT.
Protocolos: Soporte estandarizado para:

IEC 61850-9-2: Flujo de Valores Muestreados (SV) sobre Ethernet (típicamente multicast).
IEC 61850-9-3LE: Perfil SV Lightning Edition para determinismo de baja latencia garantizado.

Opciones Adicionales: Provision para salidas heredadas (análogas, IEC 60044-8 FT3) donde sea necesario a través de módulos opcionales.

Calidad de Datos: Funcionalidad de Unidad de Fusión (MU) integrada que cumple con las normas de precisión relevantes de IEC 61869 (clase TPE/TPM) y sincronización (PLL).

5. Consideraciones de Diseño e Integración de Ingeniería

Gestión Térmica: Los modelos incluyen análisis de rendimiento térmico. La disipación de potencia de los componentes electrónicos se gestiona activamente utilizando componentes de bajo consumo, posibles disipadores de calor localizados y rutas de convección optimizadas dentro del aislante.
Robustez EMC/EMI: Se aplican recubrimiento conformal, carcasas blindadas, ferritas y estrategias de puesta a tierra optimizadas a la electrónica interna. Protección contra sobretensiones conforme a normas relevantes (IEC 61000-4-5).
Integridad Mecánica: Se realiza un análisis estructural para cargas sísmicas, carga de viento, carga de hielo y fuerzas dinámicas durante fallas. El uso optimizado de materiales (compuesto/porcelana/SF6) contribuye a una masa sísmica menor.
Calibración y Pruebas en Fábrica: Calibración integral contra estándares de referencia (métodos ópticos/VTBI). Incluye verificación de la eficacia del aislamiento EM, precisión de temporización, cumplimiento de protocolos y pruebas dieléctricas a plena potencia.
Ciclo de Vida y Serviciabilidad: Diseñado para mantenimiento mínimo (especialmente SF6 o aislamiento sólido). Electrónica modular potencialmente accesible y testeable sin desmontaje mayor. Se consideran vías de disposición al final de la vida útil (recuperación/reciclaje de SF6).

Beneficios Realizados a Través de este Enfoque de Diseño e Integración:

Reducción de Huella: Ahorro de espacio de hasta 40-50% en comparación con CTs/VTs separados - crucial para retrofits y diseños compactos GIS/AIS.
Precisión y Seguridad Mejoradas: Elimina los riesgos de saturación de CTs tradicionales, mejora la respuesta transitoria (Rogowski/CVD), reduce conexiones y riesgos externos.
Instalación Simplificada: El montaje y puesta en marcha de una sola unidad reducen significativamente el trabajo de campo y la complejidad de cableado.
Costos de Ciclo de Vida Inferiores: Reducción de instalación, cableado, obra civil y costos de mantenimiento.
Preparación para Subestaciones Digitales: Salida directa IEC 61850-9-2/3LE permite integración fluida en sistemas modernos de protección, control y monitoreo (SAS).
Plataforma Futuro-Prueba: Diseño modular que acomoda tecnologías de sensores y estándares de comunicación evolutivos.
Impacto Ambiental Reducido (Opción de Aislamiento Sólido): Elimina el uso de SF6 y los riesgos asociados.